JP3296408B2 - 電力変換装置 - Google Patents

電力変換装置

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JP3296408B2
JP3296408B2 JP31169996A JP31169996A JP3296408B2 JP 3296408 B2 JP3296408 B2 JP 3296408B2 JP 31169996 A JP31169996 A JP 31169996A JP 31169996 A JP31169996 A JP 31169996A JP 3296408 B2 JP3296408 B2 JP 3296408B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、電力変換装置に関
する。
【0002】
【従来の技術】自己消弧形素子を採用した電力変換装置
では、ターンオン時の電流上昇率を制限するためのリア
クトルを、半導体素子と直列に接続することがあるが、
リアクトルを流れる電流による蓄積エネルギーは、半導
体素子がターンオフする度に過電圧として発生したこの
過電圧が、半導体素子の両端に印加される。
【0003】したがって一般的に、リアクトルは、ダイ
オードまたはダイオードに抵抗を直列に接続した放電回
路を並列に接続して、リアクトルの蓄積エネルギーを消
費させ、スナバ回路の過電圧を低減する方法が採用され
ている。
【0004】図5は、従来の電力変換装置の一例として
の、単相ブリッジインバータ回路を示す接続図である。
図5において、符号6〜9は、オンオフ動作で直流電源
1の電力を交流に変換する半導体素子としてのゲートタ
ーンオフサイリスタ(以下、GTOと表す。)で、符号
2〜5は、前述した自己消弧形素子のターンオフ時の電
流上昇率を制限するリアクトル、符号10〜13は、GTO
6〜9がターンオフしたときにリアクトル2〜5を流れ
る電流を還流させるダイオード、符号14〜17は、GTO
6〜9のスナバ回路を構成するダイオード、符号18〜21
は、スナバ回路のコンデンサ、符号22〜25は、スナバ回
路の放電抵抗器であり、各GTO6〜9の4対のアーム
で単相ブリッジを構成している。
【0005】今、GTO6とGTO9がオンして導通状
態となると、直流電源1からGTO6及びGTO9が接
続されたアームを通して、負荷26に電流が流れる。次
に、GTO6及びGTO9がオフして電流を遮断する
と、リアクトル2,5の両端の電圧が反転しダイオード
10及びダイオード13が導通状態となり、リアクトル2,
5を流れていた電流はダイオード10,13に還流し、この
ダイオード10,13により、リアクトル2,5の蓄積エネ
ルギーを消費する。
【0006】一方、電力変換装置では、半導体素子がノ
イズなどで誤ってターンオフしたり、半導体素子が損傷
して電流遮断能力を失い導通状態になると、直流短絡事
故となるので、一般的に、事故電流を遮断するために、
半導体素子と直列にヒューズを接続して機器を保護する
方法が採られており、図5で示す限流ヒューズ27〜30が
各アームの間に接続されている。
【0007】図6(a)は、電力変換装置を構成する1
アームの部分のみを示した接続図であり、図5と同一の
番号は同一の構成要素を示す。図6(a)では、リアク
トル2に対して、ダイオード10と抵抗器31の直列回路を
並列に接続し、リアクトル2の蓄積エネルギーを抵抗器
31で消費させている。
【0008】図6(b)は、図5で示したダイオード10
及び抵抗器31を、スナバ回路のダイオード14及び抵抗器
22と兼用することにより、ダイオードと抵抗器を減らし
た回路として知られており、図5と同様にリアクトル12
の蓄積エネルギーは抵抗器31で消費される。
【0009】また、高速でスイッチングを行う電力変換
装置では、リアクトルの蓄積エネルギーは電力変換装置
の損失を増やすので、抵抗器でエネルギーを消費させる
代わりに、リアクトルの蓄積エネルギーを主回路や、補
助回路の電源に回生し損失を低減させる電力変換装置が
従来から提案されている。
【0010】図7は、このリアクトルの電力回生回路を
備えた従来の電力変換装置の1アーム部分を示す接続図
で、図6(a)では、リアクトルの蓄積エネルギーを抵
抗器41で消費させたのに対し、コンデンサ32と回生回路
33の並列回路をダイオード10に直列に接続している。
【0011】図7において、図6(a)と同様にGTO
6がオフすると、リアクトル2の両端の電圧が反転し、
ダイオード10が導通状態となり、リアクトル2に流れて
いた電流による蓄積エネルギーは、コンデンサ32に図7
で示す極性で充電され、回生回路33により回生される。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】ところが、このように
構成されたリアクトルの蓄積エネルギーを消費する回路
を備えた電力変換装置においては、直流短絡事故によっ
て、リアクトルと半導体素子に流れた事故電流が限流ヒ
ューズで遮断されると、この遮断されたときにリアクト
ルに流れる事故電流は、リアクトルの蓄積エネルギーを
消費する回路に流れ込む。
【0013】すなわち、図5では、例えばリアクトル2
とリアクトル3に直流短絡電流が流れ、限流ヒューズ27
あるいは限流ヒューズ28が溶断すると、これらの限流ヒ
ューズの両端にアーク電圧が発生し短絡電流を限流させ
るため、リアクトル2及び3の両端の電圧が反転し、ダ
イオード10とダイオード11が導通状態となり、リアクト
ル2,3の短絡電流はダイオード10,11に還流して消費
される。
【0014】本来、限流ヒューズとリアクトルのみの直
列回路であれば、限流ヒューズはアーク電圧を発生する
ことで、リアクトルの蓄積エネルギーを消費し、電流を
減少させながら事故電流を遮断するのであるが、図5で
示したインバータ回路では、ダイオード10が導通するこ
とで、蓄積エネルギーはほとんどダイオード10で消費さ
れる。
【0015】短絡電流の値が小電流であれば、ダイオー
ド10での消費は問題ない。しかし、限流ヒューズによる
遮断時間は、一般に半導体素子の遮断時間よりも長く、
したがって、限流ヒューズで遮断する遮断電流のエネル
ギーは、正常時に半導体素子の遮断する電流のエネルギ
ーの数10倍になるため、リアクトルの蓄積エネルギーも
大きくなり、ダイオードやリアクトル等の部品に損傷を
与えるおそれがあるだけでなく、インバータ回路の構成
部品の過電流耐量を増やさなければならなくなるため、
電力変換装置の外形が大きくなる。
【0016】また、図7で示したリアクトルの電力回生
回路では、限流ヒューズで遮断したときのリアクトル12
の放電電流は、コンデンサ32に流れ込み、図7の極性で
電圧が充電されるが、限流ヒューズの遮断電流が大きい
場合には、コンデンサ32の充電電圧も高くなり、コンデ
ンサ及び回生回路が損傷するだけでなく、コンデンサや
回生回路の構成部品の過電圧耐量を増やしたり、コンデ
ンサや回生回路の構成部品の容量を上げて、充電電圧を
下げる等の対策が必要となる。そこで、本発明の目的
は、ヒューズの遮断時に過大な電流が蓄積エネルギー消
費回路に流れることを防ぐことのできる電力変換装置を
提供することである。
【0017】
【課題を解決するための手段】請求項1に記載の発明の
電力変換装置は、リアクトルに直列接続される限流ヒュ
ーズと、この限流ヒューズとリアクトルの直列回路に並
列接続されリアクトルの蓄積電荷が放出される放電回路
と、限流ヒューズとリアクトルの直列回路に直列接続さ
れるスイッチング素子とをブリッジのアームに備えたこ
とを特徴とする。
【0018】また、請求項2に記載の発明の電力変換装
置は、放電回路をダイオードで構成したことを特徴とす
る。また、請求項3に記載の発明の電力変換装置は、放
電回路をダイオードと抵抗器の直列回路としたことを特
徴とする。
【0019】また、請求項4に記載の発明の電力変換装
置は、ダイオードと抵抗器の直列接続部と、リアクトル
及び限流ヒューズの直列回路に片側が接続されたスイッ
チング素子の他側との間に対して、コンデンサを接続し
たことを特徴とする。
【0020】さらに、請求項5に記載の発明の電力変換
装置は、放電回路をコンデンサと電力回生回路の並列回
路とダイオードの直列回路で構成したことを特徴とす
る。
【0021】このような手段によって、本発明において
は、過電流の遮断時のエネルギーをヒューズの溶断で発
生するアークのエネルギーで消費させて放電回路部品の
損傷を防ぐ。
【0022】
【発明の実施の形態】以下、本発明の電力変換装置の一
実施形態を図面を参照して説明する。図1は、リアクト
ル2の蓄積エネルギーを消費するためにダイオード10が
接続されている本発明の第1の実施形態を示す接続図
で、従来の技術で示した図6及び図7に対応し、電力変
換装置を構成する1アーム部分を示す。
【0023】また、図1では、GTOのスナバ回路は、
GTOの短絡時に影響を及ぼさないので省略している。
図1において、符号P,Nで示す端子間に直流電圧Eが
印加されている状態で、GTO6が万一誤点弧し、直流
短絡事故が発生したときの動作を図2のタイムチャート
で説明する。図2の波形Aは、図1の矢印で示す短絡電
流iであり、波形Bは、リアクトル2の両端の電圧波
形、また波形Cは、限流ヒューズ27の両端の電圧波形で
ある。
【0024】いま、図2のタイムチャートの時刻t0
GTO6が誤点弧し、直流側で短絡事故が発生すると、
リアクトル2の両端には、直流電圧Eが印加され、リア
クトル2のインダクタンスをLとすると、短絡電流i
は、電流上昇率がdi/dt=E/Lで上昇する。
【0025】短絡電流iは、限流ヒューズ2の溶断特性
で決まる電流自乗時間積に達するまでの時間流れ続け、
図2では、時刻t1 の時点で限流ヒューズ2の溶断が開
始したとする。限流ヒューズは、内部のエレメントが溶
断することで溶断部にアーク電圧を発生させ、電流を減
少させて遮断する作用があり、アーク電圧は一般的に直
流電圧の2倍前後の高さで発生する。
【0026】ここでは、図2の波形Cの電圧2Eに示す
ように、限流ヒューズの溶断で発生したアーク電圧が直
流電圧の2倍とすると、電流上昇率はE/Lから−E/
Lへ変化し、また、波形Bに示すようにリアクトルの両
端の電圧が−Eに反転する。
【0027】このとき、ダイオード10の両端には、2E
−E=Eの電圧が図1の符号Pから符号Nの向きに印加
されるので、ダイオード10には電流は流れず、リアクト
ル2の蓄積エネルギーは限流ヒューズ27のアークエネル
ギーとして消費され、図2の時刻t2 で短絡電流iが波
形Aに示すように零となり、短絡電流iの遮断が完了す
る。
【0028】このように、本発明の電力変換装置におい
ては、リアクトルに直列にヒューズを接続することで、
直流短絡事故で発生したリアクトルの蓄積エネルギーを
消費回路に流すことなく、限流ヒューズにより遮断する
ことができるので、エネルギーの消費回路の損傷を防ぐ
ことができるだけでなく、エネルギー回路を構成する部
品の容量の増加も省くことができるので、電力変換装置
の外形の大形化を抑えることもできる。
【0029】次に、図3及び図4と図5は、本発明の電
力変換装置の第2,第3及び第4の実施形態を示す部分
接続図を示し、図1のエネルギーで示した回路と同様
に、図3(a)で示したダイオード10及び抵抗器31と図
3(b)で示したダイオード14及び抵抗器31と図4で示
したダイオード10,コンデンサ32,回生回路33で示され
る回路には電流は流れない。したがって、この場合にお
いても、これらの放電回路と回生回路部品の大形化を防
ぎ、これに伴う電力変換装置の大形化を防ぐことができ
る。
【0030】
【発明の効果】以上、本発明によれば、過電流の遮断時
のエネルギーをヒューズの遮断で発生するアークのエネ
ルギーで消費させて放電回路部品の損傷を防ぐので、放
電回路部品の損傷や放電回路部品の定格容量の増加を防
ぐことのできる電力変換装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の電力変換装置の第1の実施形態を示す
部分主回路接続図。
【図2】本発明の電力変換装置の第1の実施形態の作用
を示すタイムチャート。
【図3】(a)は、本発明の電力変換装置の第2の実施
形態を示す部分主回路接続図。(b)は、本発明の電力
変換装置の第3の実施形態を示す部分主回路接続図。
【図4】本発明の電力変換装置の第4の実施形態を示す
部分主回路接続図。
【図5】従来の電力変換装置の一例を示す部分主回路接
続図。
【図6】(a)は、従来の電力変換装置の図5と異なる
一例を示す部分主回路接続図。(b)は、従来の電力変
換装置の図5及び図6(a)と異なる一例を示す部分主
回路接続図。
【図7】従来の電力変換装置の図5,図6(a),
(b)と異なる一例を示す部分主回路接続図。
【符号の説明】
1…直流電源、2,3,4,5…リアクトル、6,7,
8,9…ゲートターンオフサイリスタ、10,11,12,13
…ダイオード、14,15,16,17…ダイオード、18,19,
20,21…コンデンサ、22,23,24,25…抵抗器、26…負
荷、27,28,29,30…限流ヒューズ、31…抵抗器、32…
コンデンサ、33…回生回路。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平8−154374(JP,A) 特開 平5−153766(JP,A) 特開 昭62−141961(JP,A) 実開 昭53−157651(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02M 1/00 H02H 3/08 H02M 7/48

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 リアクトルに直列接続される限流ヒュー
    ズと、この限流ヒューズと前記リアクトルの直列回路に
    並列接続され前記リアクトルの蓄積電荷が放出される放
    電回路と、前記限流ヒューズと前記リアクトルの直列回
    路に直列接続されるスイッチング素子とをブリッジのア
    ームに備えた電力変換装置。
  2. 【請求項2】 前記放電回路をダイオードで構成したこ
    とを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
  3. 【請求項3】 前記放電回路をダイオードと抵抗器の直
    列回路としたことを特徴とする請求項1に記載の電力変
    換装置。
  4. 【請求項4】 前記ダイオードと前記抵抗器の直列接続
    部と、前記リアクトル及び前記限流ヒューズの直列回路
    に片側が接続された前記スイッチング素子の他側との間
    に対して、コンデンサを接続したことを特徴とする請求
    項3に記載の電力変換装置。
  5. 【請求項5】 前記放電回路をコンデンサと電力回生回
    路の並列回路とダイオードの直列回路で構成したことを
    特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102803447A (zh) * 2011-03-18 2012-11-28 丰田自动车株式会社 添加剂、机油滤清器、机械的润滑装置

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN102803447A (zh) * 2011-03-18 2012-11-28 丰田自动车株式会社 添加剂、机油滤清器、机械的润滑装置

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